吉師大水污染控制工程教案第7章 污水的厭氧生物處理

污水的厭氧生物處理本章重點(diǎn)厭氧生物處理的基本原理厭氧生物處理法的設(shè)計(jì)厭氧和好氧技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用本章難點(diǎn)（1）厭氧生物處理的基本原理（2）厭氧和好氧技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用本章作業(yè)米氏方程的推導(dǎo)過程本章內(nèi)容7.1概述7.1.1厭氧工藝的發(fā)展歷史1881年2月，法國《宇宙》，莫拉斯（Mouras）將簡易沉淀池加以改進(jìn)而得到的“自動凈化器”。1895年，英國卡麥?。–ameron）獲得腐化池專利。1899年，美國Clark提出應(yīng)將污泥和水分離，在將污泥隔絕空氣消化的想法。1904年，首先在英國漢普敦建成了雙層沉淀池，將沉淀池下部改變?yōu)橄摇?.1.2厭氧法與好氧法的比較類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用條件好氧法處理程度高負(fù)荷高占地面積少設(shè)備簡單能耗高運(yùn)行管力要求高可能發(fā)生污泥膨脹生物脫氮功能有限對營養(yǎng)物質(zhì)有要求城市污水處理，有機(jī)工業(yè)廢水處理。適用于大、中、小型污水處理廠。厭氧法能耗低適用范圍廣剩余污泥少可回收沼氣耐沖擊負(fù)荷對營養(yǎng)物要求低可間歇運(yùn)行處理程度低，出水達(dá)不到排放要求水力停留時間長，占地面積大設(shè)備復(fù)雜啟動時間長污水和污泥處理。特別適用于高濃度有機(jī)廢水和污泥處理。7.1.3厭氧工藝的主要優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)有：(a)能量需求大大降低，還可產(chǎn)生能量；(b)污泥產(chǎn)量極低，沉降性好；(c)被降解的有機(jī)物種類多，應(yīng)用范圍廣，主要用于處理高濃度有機(jī)廢水，也可用于處理低濃度有機(jī)廢水，也能處理某些好氧微生物難降解的物質(zhì)；(d)對水溫的適應(yīng)范圍廣；(e)有機(jī)容積負(fù)荷率高；(f)營養(yǎng)鹽類需要量少。厭氧法的缺點(diǎn)是；(a)厭氧設(shè)備啟動時間長；(b)處理后的出水水質(zhì)差，往往需進(jìn)一步處理才能達(dá)標(biāo)排放。7.1.4厭氧生物處理的基本原理傳統(tǒng)上，污泥在脫水作最后處置前進(jìn)行厭氧處理，稱為污泥消化，“消化”也常作為厭氧處理的簡稱。早期的厭氧處理都是針對污泥消化的。厭氧的反應(yīng)過程大致可以分為幾個步驟：水解；酸化；乙酸化；甲烷化。產(chǎn)生氣味的原因是原水中的N、S被還原為H2S、NH3等。1）厭氧呼吸厭氧呼吸是在沒有氧分子的情況下進(jìn)行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒有氧化酶系統(tǒng)。反應(yīng)最終受體是氧以外的有機(jī)物或無機(jī)物。根據(jù)最終受體不同，分為：發(fā)酵和無氧呼吸。2）發(fā)酵：指供氫體和受氫體都是有機(jī)化合物的生物氧化作用，最終受體無需外加，就是供氫體分解的產(chǎn)物。氧化不徹底，能量少，故該類厭氧微生物消耗底物較多。3）無氧呼吸：指以無機(jī)化合物（如：NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等）替代分子氧，作為最終受體的生物氧化作用。無氧呼吸可以使有機(jī)底物被徹底氧化，能量得以分級釋放，產(chǎn)生的能量要遠(yuǎn)大于發(fā)酵過程。4）廢水的厭氧生物處理厭氧處理中的微生物群落主要是原核性質(zhì)的，包括細(xì)菌和古細(xì)菌。厭氧生物處理的過程是一個多步驟的過程。揮發(fā)性有機(jī)酸揮發(fā)性有機(jī)酸（丙酮酸和丁酸等）1234567水解發(fā)酵厭氧氧化2/31/35）影響因素（針對產(chǎn)氣步驟）溫度：低溫消化（15－20℃），中溫消化（35-38℃），高溫消化（52pH：甲烷菌適宜pH：6.8-7.2，為此需要在線監(jiān)控，投加石灰或Na2CO3中和微生物產(chǎn)生的酸。碳氮比C/N：一般要滿足COD:N:P=800:5:1即可，實(shí)際處理液的C/N以(10－20):1為宜。缺氮磷可以通過施加化肥達(dá)到目的。硫化物：甲烷菌最佳生長需要11.5mg/L的硫（以H2S計(jì)）。目前高負(fù)荷反應(yīng)器硫化物可以達(dá)到150－200mg/L。有毒物質(zhì)：尤其是重金屬的毒害作用很大，如果運(yùn)行不順利，可以考慮是否為重金屬原因。7.2污水的厭氧生物處理方法7.2.1化糞池：停留時間一般為12－24小時，污泥大約半年清除一次，出水不能直接排放水體，常在綠地下設(shè)滲水系統(tǒng)排出。7.2.2普通消化池普通消化池常采用圓柱形或蛋形。普通消化池中溫或高溫消化時，需要對料液進(jìn)行加熱。為保持池內(nèi)溫度均勻，利于沼氣釋放，需要攪拌，一般每隔2－4小時攪拌一次。為節(jié)省能源，可采用二級消化工藝，二級消化池與普通消化池相同，但是不設(shè)攪拌，相當(dāng)于沉淀池。污泥停留時間等于水利停留時間，停留時間較長（20-30天），反應(yīng)池體積大，負(fù)荷低。按容積大小分可分為小型池（1000-2500m3），中型池（2500-5000m3），大型池（5000消化池的攪拌主要有以下幾種方式：水泵循環(huán)攪拌（設(shè)備簡單，維修方便）；機(jī)械攪拌；沼氣攪拌（可以提高沼氣產(chǎn)量）。應(yīng)用舉例：1）洛杉磯Hyperion污水處理廠蛋型厭氧消化池采純氧曝氣,每日約需純氧220噸，生物反應(yīng)池內(nèi)MLSS維持在1,000~1,500mg/L，出水端溶氧值控制于5~10mg/L，水力停留時間約6小時，污泥停留時間約為1~1.5天。設(shè)有18座圓柱型及18座蛋型消化槽，消化溫度控制在95°F，污泥停留時間約15天，產(chǎn)氣量每天可達(dá)740萬立方英呎，其中甲烷含量約64﹪，每日需供給Scattergood蒸氣發(fā)電廠作為燃料，以交換該電廠提供優(yōu)惠電價，1.3美元/KWH(市價92）舊金山Oceanside水污染控制廠之蛋型厭氧消化槽池Oceanside水污染控制廠之生物處理系統(tǒng)系采純氧活性污泥法，生物反應(yīng)池共三池，每池分為六槽。共設(shè)有4個蛋型消化槽，每座消化槽容積為750,000加侖，采單段中溫操作，操作溫度約為95°F，停留時間約為24天。每槽產(chǎn)氣量約為100,000立方英呎，產(chǎn)出瓦斯氣體主要作為鍋爐及發(fā)電機(jī)之燃料，目前每日可提供廠內(nèi)約1/23）北京市高碑店污水處理廠污泥消化池規(guī)模為日

處理污水100萬立方米，占北京市污水總量40%。一級處理包括格柵、泵房、曝氣沉砂池和矩形平流式沉淀池；二級處理采用空氣曝氣活性污泥法。污泥處理采用中溫兩級消化技術(shù)，消化后經(jīng)脫水的泥餅外運(yùn)作為農(nóng)業(yè)和綠化的肥源。消化過程中產(chǎn)生的沼氣,用于發(fā)電可解決廠內(nèi)部分用電。7.2.3水解反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：不需要密封，攪拌，三相分離器出水可生化性好，減少后續(xù)反應(yīng)時間出水沒有不良?xì)馕冻伢w積小，節(jié)省基建費(fèi)用污泥量少，污水、污泥一次性處理，不需要中溫消化。工藝特點(diǎn)：污染物數(shù)量質(zhì)量變化；有機(jī)物數(shù)量顯著減少；污水可生化性提高原污水與水解出水水質(zhì)比較項(xiàng)目COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)溶解性COD比例%BOD5/COD原污水493.3170.2277.450.80.345水解出水278.4115.245.377.80.414水解-好氧聯(lián)合處理工藝流程7.2.4厭氧接觸法污泥濃度要求很高，在12000－15000mg/L左右，污泥回流量很大，一般是廢水流量的2－3倍。厭氧接觸法對懸浮物高的有機(jī)廢水（如肉類加工廢水）效果很好，中溫消化經(jīng)過6－12小時，BOD5去除率可達(dá)90％以上。該工藝存在的問題有：(a)厭氧反應(yīng)器排出的混合液中的污泥由于附著大量的氣泡在沉淀池中易于上浮到水面而被出水帶走；(b)進(jìn)入沉淀他的污泥仍有產(chǎn)甲烷菌在活動．并產(chǎn)生沼氣，使已沉下的污泥上翻，影響出水水質(zhì)、降低回流污泥的濃度。對此采取措施有：(a)在反應(yīng)器和沉淀池之間設(shè)脫氣器．盡可能脫除沼氣；(b)在反應(yīng)器與沉淀池之間設(shè)冷卻器，抑制產(chǎn)甲烷菌的活動；(c)在沉淀池投加混凝劑：(d)用超濾（或膜分離器）代替沉淀池。7.2.5厭氧生物濾池(AF升流式，DSFF降流式)密封的水池，優(yōu)點(diǎn)有：處理能力較高；微生物濃度高，出水SS較低，設(shè)備簡單、操作方便；缺點(diǎn)：濾料費(fèi)用較貴；濾料容易堵塞，尤其是下部，而且堵塞后沒有有效的清洗方法。填料的選擇填料是厭氧生物濾池的主體，要滿足以下條件：比表面極大；表面粗糙；保證機(jī)械強(qiáng)度；價格低廉；選擇合適的形狀、空隙度和顆粒尺寸；常用填料基本上與好氧接觸氧化工藝基本相同，主要有:實(shí)心塊狀填料：如碎石、礫石等，容易發(fā)生堵塞和短流?？招奶盍希憾嘤盟芰现瞥桑蕡A柱形或球形，可以減少濾料層的堵塞現(xiàn)象。蜂窩或波紋板填料：塑料波紋板和蜂窩填料，質(zhì)量輕、穩(wěn)定，不易堵塞。軟性或半軟性填料：半軟性聚乙烯、彈性聚苯乙烯濾料，軟性尼龍纖維濾料。比表面積和空隙率較大。7.2.6升流式厭氧污泥床（UASB）升流式厭氧污泥床（UASB），由荷蘭Lettinga在20世紀(jì)70年代研發(fā)的，是集生物反應(yīng)與沉淀于一體，是一種結(jié)構(gòu)緊湊的厭氧反應(yīng)器。是一種微生物懸浮生長型厭氧反應(yīng)器。該系統(tǒng)具有投資省、占地少、運(yùn)行成本低、操作簡單及易于控制等特點(diǎn)。進(jìn)水基質(zhì)營養(yǎng)比：C：N：P=250：5：1。進(jìn)水SS小于4000-5000mg/L，啟動階段應(yīng)小于2000mg/L。氨氮一般小于1000mg/L，50-200mg/L有利于微生物生長。硫酸根濃度應(yīng)小于5000mg/L。厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)三個階段：啟動與污泥活性提高階段，COD有機(jī)負(fù)荷控制在2.0kg/m3d以下。形成階段，COD有機(jī)負(fù)荷應(yīng)控制在2.0-5.0kg/m3d污泥床形成階段，COD有機(jī)負(fù)荷大于5kg/m3d類似于結(jié)晶過程，增加CaCO3等不溶性無機(jī)鹽有助于顆粒污泥的形成。顆粒污泥形成條件包括：水質(zhì)、有機(jī)負(fù)荷、pH等，但水利條件是主要的原因，即升流式運(yùn)行方式。應(yīng)用舉例：澳大利亞EchucaWastewaterTreatmentPlant我國部分USAB反應(yīng)器運(yùn)行數(shù)據(jù)廢水種類溫度℃反應(yīng)器容積m3COD負(fù)荷kg/m3d進(jìn)水CODｍｇ／ＬCOD去除率％研究應(yīng)用單位味精廢水酒精過濾液檸檬酸廢水釀造廢水啤酒廢水30－32高溫35常溫常溫4.624664.88*2405.522.320.34.29－1312150900－280020000－360002000－60001500－300088.5919082.485中科院廣州能源研究所北京環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院常州環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院北京環(huán)境保護(hù)研究所北京啤酒廠7.2.7IC（InternalCirculation）反應(yīng)器克服了UASB污泥流失的問題。與UASB相比，可以處理更高濃度廢水，運(yùn)行負(fù)荷及處理能力高于UASB反應(yīng)器。應(yīng)用舉例：IC反應(yīng)器處理啤酒廢水參數(shù)企業(yè)名稱沈陽華潤雪花啤酒上海富士達(dá)啤酒廠北京啤酒廠反應(yīng)器類型ICICUASB反應(yīng)器容積（m3）704002000反應(yīng)器高度（m）1620.5——進(jìn)水COD（mg/L）430020002000進(jìn)水SS（mg/L）290100-600500COD容積負(fù)荷（kg/m3d）25-30154.3HRT（h）4.2211.2COD去除率（%）80——>80溫度中溫——中溫7.2.8厭氧膨脹床(EGSB)和厭氧流化床(UFB)特點(diǎn)：(a)床內(nèi)具有很高的微生物濃度(一般為30gMLVSS/L左右)，有機(jī)物容積負(fù)荷率較大，水力停留時間短，具有較好的耐沖擊負(fù)荷能力，運(yùn)行穩(wěn)定；(b)膨脹或流化的載體可避免堵塞；(c)床內(nèi)生物固體停留時間長．運(yùn)行穩(wěn)定，剩余污泥少；(d)可用于處理高濃度有機(jī)廢水，也可用于處理低濃度的城市廢水。缺點(diǎn)：(a)為保證載體膨脹或流化，能耗較大；(b)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行要求高。一般膨脹率為10－20％稱為厭氧膨脹床，膨脹率為20－70％時稱為厭氧流化床。7.2.9厭氧生物轉(zhuǎn)盤優(yōu)點(diǎn)有：(a)微生物濃度高，可承受高額的有機(jī)物負(fù)荷，相應(yīng)的去除率可達(dá)90％左右；(b)廢水水平流動．也不需要回流，可以節(jié)約能源；(c)由于轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，不斷使老化的生物膜脫落，以保持生物膜的活性；(d)可采用多級串聯(lián)，使各級微生物處于最佳的生存條件。主要缺點(diǎn)是盤片成本高，整個裝置造價很高。該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)按負(fù)荷法設(shè)計(jì)。7.2.10厭氧折流反應(yīng)器1）厭氧轉(zhuǎn)化過程的相分離理論在各級分隔空間中培養(yǎng)適宜的厭氧微生物，適應(yīng)底物及環(huán)境防止各個單獨(dú)空間中獨(dú)立發(fā)展形成的污泥相混合各個單獨(dú)空間所產(chǎn)生的氣體相互隔開各個單獨(dú)空間的流態(tài)趨于完全混合，而工藝流程趨于近推流，即復(fù)合流態(tài)，使系統(tǒng)有更高的處理效果。2）厭氧折流反應(yīng)器（ABR）優(yōu)點(diǎn)指標(biāo)主要優(yōu)點(diǎn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、無需機(jī)械混合裝置、造價低、容積利用率高、不易堵塞、污泥床膨脹程度較低、反應(yīng)器總高度、投資成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低。生物量特性對生物體的沉降性能沒有特殊要求、污泥產(chǎn)率低、剩余污泥量少、泥齡長、污泥無需載體表面生長、無需后續(xù)沉淀池進(jìn)行泥水分離。工藝運(yùn)行水利停留時間短，可以間歇運(yùn)行、耐水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷能力強(qiáng)，對進(jìn)水中的有毒有害物質(zhì)具有良好的承受力、可以長時間運(yùn)行而無須排泥。3）ABR反應(yīng)器與其他反應(yīng)器性能比較反應(yīng)器類型廢水類型反應(yīng)器容積（L）容積負(fù)荷（kgBOD/m3d）COD去除率（%）AFBR制酒廢水——572AF糖漿廢水——1829UASB屠宰廢水331185UASB糖漿廢水852377ABR制酒廢水6.33.591ABR糖漿廢水16520774）ABR運(yùn)行中注意的問題回流：稀釋進(jìn)水中的有毒物質(zhì)，提高前段pH，減少泡沫。低濃度廢水：采用短HRT。高濃度廢水：采用長HRT。高SS廢水：增大第一室容積，截留SS。溫度：35-25℃之間降溫沒有影響。但低于2510部分厭氧處理工藝的比較構(gòu)筑物類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)厭氧消化池接觸消化工藝UASB工藝厭氧濾池厭氧塘可適應(yīng)高SS濃度適應(yīng)中等SS濃度適應(yīng)高或低濃度COD，負(fù)荷高，運(yùn)行簡單適應(yīng)高或低濃度COD，運(yùn)行簡單投資少，實(shí)際不需要維護(hù)負(fù)荷低，需要較大池容積中等負(fù)荷，運(yùn)行管理復(fù)雜顆粒污泥培養(yǎng)需要技巧，不適應(yīng)高SS廢水SS濃度高時有堵塞危險(xiǎn)占地面積大，產(chǎn)生臭味，不能回收沼氣7.3厭氧生物處理法的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：流程和設(shè)備的選擇：處理工藝和設(shè)備的選擇；消化溫度；采用單級或兩級消化等。反應(yīng)器和構(gòu)筑物的構(gòu)造和容積的確定3.需熱量的計(jì)算和攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)1容積負(fù)荷法不同消化溫度下消化池建議采用的有機(jī)負(fù)荷消化溫度℃810152027303337有機(jī)容積負(fù)荷kg/(m3d)最小0.250.330.50.651.01.31.62.5最大0.350.470.70.951.41.82.33.5厭氧接觸消化工藝建議采用的設(shè)計(jì)參數(shù)消化池沉淀池有機(jī)容積負(fù)荷kgCOD/(m3d)污